BTS électrotechnique 2ème année - Sciences physiques appliquées CH10 : Les hacheurs Enjeu : motorisation des systèmes Problématique : Comment obtenir plusieurs points de fonctionnement entre un moteur à courant continu et une charge mécanique ; le cas échéant dans plusieurs quadrants ? Objectifs : 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 A l’issue de la leçon, l’étudiant doit : Connaître les structures des hacheurs série, parallèle, réversible en courant, réversible en tension et 4 quadrants. Savoir déterminer la forme d’onde de la tension de sortie d’un hacheur série les intervalles de conduction étant connus Savoir déterminer la forme d’onde de la tension d’entrée d’un hacheur parallèle les intervalles de conduction étant connus Savoir calculer la valeur moyenne de la tension d’un hacheur en passant par un calcul d’aire Connaître l’application du montage dans la motorisation des systèmes Savoir calculer la puissance en entrée et en sortie du hacheur 1. Qu’est-ce qu’un hacheur ? Un hacheur est un convertisseur statique qui permet de régler le transfert d’énergie entre une source électrique continue et une charge électrique continue. Son symbole normalisé est : Source Charge transfert de puissance Réversibilité possible selon le type de hacheur 2. Quelles sont ses applications dans l’industrie ? Le hacheur est principalement utilisé pour : La variation de vitesse d’un moteur à courant continu Le freinage par récupération Alimentation d’appareil électronique grand public (PC, …) 3. Comment est régulé le transfert de puissance dans un hacheur ? A l’aide d’un composant qui permet régler, sur une période, la durée du transfert de puissance entre la source et la charge. Ce composant est le transistor de symbole : E (Emmetteur) B (Base) C (Collecteur) Les transistors d’électronique de puissance fonctionnent en tout ou rien : ils sont équivalents à un interrupteur fermé lorsqu’on applique une tension positive entre B et C suffisamment grande (voir données constructeur) et à un interrupteur ouvert dans le cas contraire. i 𝑈𝐵𝐶 > 0 E (Emmetteur) E u u=0 C B (Base) i C (Collecteur) E 𝑈𝐵𝐶 ≤ 0 u i=0 C La commande (ouverture et fermeture) du transistor s’effectue entre les bornes B et C. Le transfert de puissance s’effectue entre les bornes E et C 4. Qu’est-ce que le rapport cyclique ? C’est la fraction de période pendant lequel le transistor conduit. On le note 𝛼. Exemple : si le transistor conduit pendant ¼ de la période, 𝛼 = 0,25. Pour déterminer le rapport cyclique on utilise la relation : 𝛼= 𝑑𝑢𝑟é𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑢 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟 𝑝é𝑟𝑖𝑜𝑑𝑒 𝑑𝑒 ℎ𝑎𝑐ℎ𝑎𝑔𝑒 5. Quels sont les différents types de hacheur ? On distingue : Le hacheur série Le hacheur parallèle Les hacheurs 2 et 4 quadrants Les alimentations à découpage. 6. Quelle est la structure du hacheur série ? Le hacheur série est un convertisseur statique réglant le transfert d’énergie entre une générateur de tension continue est une source de courant continu. Hacheur série i T VCC D u 7. Quelle est la forme d’onde de la tension en sortie du hacheur série ? Les conductions de T et D sont complémentaires : quand T est passant (T=1) alors D est bloquée (D=0) et vice-versa. De 0 à 𝛼𝑇, le transistor est passant : T=1 et D=0 De 𝛼𝑇 à 𝑇, le transistor est bloqué : T=0 et D=1 i i T T VCC VCC u D u D On a alors u=VCC. On a alors u=0. D’où la forme d’onde suivante : u(t) VCC 0 T t T 8. Quelle est l’expression de la valeur moyenne de la tension en sortie du hacheur série ? 𝟏 < 𝒖 >= × 𝓐 𝑻 u(t) VCC Avec 𝓐 : aire située sous la courbe (voir surface hachurée ci-contre). < 𝒖 >= 𝟏 × 𝜶𝑻 × 𝑽𝑪𝑪 𝑻 𝒜 0 T t T < 𝒖 >= 𝜶 × 𝑽𝑪𝑪 9. Comment le hacheur série permet-il la variation de vitesse des moteurs à courant continu ? La tension en sortie du hacheur est continue mais pas parfaitement lissée. Cependant, en rendant par réglage la période T du hacheur négligeable par rapport à la constante de temps mécanique du moteur, la vitesse de celui-ci n’aura pas le temps de varier. Tout se passe comme-ci le moteur était alimenté par une tension continue parfaitement lissée 𝑼 =< 𝒖 >= 𝜶 × 𝑽𝑪𝑪 . Avec le réglage de 𝛼, on obtient différentes valeurs de U qui correspondent à des caractéristiques mécaniques différentes pour le moteur (droites parallèles). T 𝛼 = 0,75 𝛼 = 0,25 𝛼 = 0,5 Tu=f(n) du moteur pour𝛼 = 1 (U=Un) Tr=f(n) de la pompe Ces droites permettent d’obtenir plusieurs points de fonctionnement avec la charge entraînée (voir cicontre l’exemple de l’entraînement d’une pompe). Le hacheur permet également le démarrage à tension d’induit réduite. n 10. Quelle est la forme d’onde du courant en sortie d’un hacheur série alimentant un moteur à courant continu ? La constante de temps électrique du moteur est beaucoup plus faible que la constante mécanique de celui-ci et n’est pas négligeable devant la période du hacheur. Le courant va donc répondre aux fluctuations de la tension en sortie du hacheur. Une fois le régime permanent établi (le moteur démarre avant t=0), on a montré dans le paragraphe précédent que la vitesse était constante : donc E=Cte A t=0, u passe brutalement de 0 à VCC. La variation du courant d’induit du moteur est régit par l’équation différentielle suivante : 𝑬 + 𝑹𝒊 + 𝑳 𝒅𝒊 = 𝑽𝑪𝑪 𝒅𝒕 C’est un régime transitoire du 1er ordre, dont on peut mettre l’équation sous sa forme canonique : 𝑳 𝒅𝒊 𝑽𝑪𝑪 − 𝑬 +𝒊= 𝑹 𝒅𝒕 𝑹 La constante de temps est 𝝉= 𝑳 est la valeur finale de i est 𝑽𝑪𝑪 −𝑬 𝑹 𝑹 i croit donc suivant la courbe de réponse d’un 1er ordre à un échelon, mais n’a pas le temps d’atteindre sa valeur finale avant t= 𝛼𝑇. A t= 𝜶𝑻, u passe brutalement de VCC à 0. La variation du courant d’induit du moteur est régit par l’équation différentielle suivante : 𝑬 + 𝑹𝒊 + 𝑳 𝒅𝒊 =𝟎 𝒅𝒕 C’est un régime transitoire du 1er ordre, dont on peut mettre l’équation sous sa forme canonique : 𝑳 𝒅𝒊 𝑬 +𝒊=− 𝑹 𝒅𝒕 𝑹 La constante de temps est 𝝉= 𝑳 𝑹 est la valeur finale de i est − 𝑬 𝑹 i décroit donc suivant la courbe de réponse d’un 1er ordre à un échelon, mais n’a pas le temps d’atteindre sa valeur finale avant t= 𝑇. A t=T, on revient à la configuration de t=0 Le courant i est donc périodique. On obtient la forme d’onde suivante : 11. Comment améliorer le lissage du courant ? L’ondulation de courant Δ𝑖 peut être approximer pour le hacheur série par la relation : 𝜟𝒊 = 𝑽𝒄𝒄 𝜶(𝟏 − 𝜶) 𝑳𝑭 Pour diminuer cette ondulation de courant, on peut donc augmenter la fréquence F du hacheur ou augmenter le L du moteur en ajoutant à celui-ci une inductance de lissage en série. 12. Quelle est la structure du Hacheur parallèle ? Le hacheur parallèle est un convertisseur statique réglant le transfert d’énergie entre une générateur de courant continu est un récepteur de tension continue. Hacheur parallèle I D V u T 13. Quelle est la forme d’onde de la tension à l’entrée du hacheur parallèle ? Les conductions de T et D sont complémentaires : quand T est passant (T=1) alors D est bloquée (D=0) et vice-versa. De 0 à 𝛼𝑇, le transistor est passant : T=1 et D=0 De 𝛼𝑇 à 𝑇, le transistor est bloqué : T=0 et D=1 I I v v U U On a alors v=U. On a alors v=0. D’où la forme d’onde suivante : v(t) U 0 T t T 14. Quelle est l’expression de la tension en sortie d’un hacheur parallèle ? < 𝒗 >= 𝟏 ×𝓐 𝑻 v(t) U Avec 𝓐 : aire située sous la courbe (voir surface hachurée ci-contre). 𝟏 × (𝑻 − 𝜶𝑻) × 𝑼 𝑻 < 𝒗 >= (𝟏 − 𝜶) × 𝑼 < 𝒗 >= 𝑼= <𝒗> 𝟏−𝜶 0 T t T 𝑼 ≥ < 𝒗 > : le hacheur parallèle est élévateur de tension 15. Quelle est l’application concernant les machines à courant continu ? Lors de la phase de freinage, la machine à courant continu fonctionne en génératrice, mais sa f.e.m. E (qui décroit car la vitesse diminue) est inférieure à la tension U qui alimentait le moteur. Pour assurer le transfert d'énergie électrique vers la source, il faut un convertisseur d'énergie continu-continu élévateur de tension : le hacheur parallèle. 16. Comment obtenir un hacheur réversible en courant ? On l’obtient en plaçant en parallèle inverse des interrupteurs unidirectionnels : On a alors < 𝑢𝐶 >= 𝛼 × 𝑉 Ce montage permet un fonctionnement en moteur et freinage avant. 17. Comment obtenir un hacheur réversible en tension ? On l’obtient en réalisant une structure en pont : On a alors < 𝑢𝐶 >= (2𝛼 − 1) × 𝑉 Ce montage permet un fonctionnement en moteur avant et freinage arrière. 18. Comment obtenir un hacheur réversible en courant et en tension ? On l’obtient en combinant les 2 montages précédents : On a alors < 𝑢𝐶 >= (2𝛼 − 1) × 𝑉 Ce montage permet un fonctionnement dans les 4 quadrants 19. Comment calculer la puissance en entrée ou en sortie d’un hacheur ? En continu et pour une tension parfaitement lissée, la relation permettant le calcul de la puissance est (voir document de synthèse de calcul des puissances de 1ère année) : 𝑷 = 𝑼 ×< 𝒊 > Cette relation peut donc être utilisée en sortie du hacheur parallèle et en entrée des autres hacheurs de ce chapitre. Les interrupteurs étant considérés idéaux, la puissance d’entrée peut être considérée égale à la puissance de sortie.
